申 博

（山西水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西太原 030027）

0 引言

在我國，地震活動帶非常多，就當(dāng)前的對于加筋土擋墻在地震作用下相應(yīng)研究的狀況而言，很多的研究還不夠成熟，這使得該工程結(jié)構(gòu)明顯在具體的應(yīng)用過程上受到限制。在國外已經(jīng)有維特蒙、摩德等對位于地震區(qū)的加筋土開展相關(guān)科研工作，同時，且對其模型進行了相應(yīng)的有限元模擬分析，對其進行了較多的比例模型試驗。但是，目前還沒有在具體的設(shè)計規(guī)范中納入相應(yīng)的完整的計算公式，在我國一些學(xué)者對該方面進行了研究，但是并沒有取得很大的成果。加筋土擋墻在造價和施工方面具有明顯的優(yōu)勢，且其結(jié)構(gòu)也比較美觀，因此需要提高該結(jié)構(gòu)的設(shè)計和研究水平，促進其在地震區(qū)的應(yīng)用，具有巨大的工程實踐價值。對加筋土擋墻動力響應(yīng)進行分析研究顯得如此的重要。為此，本文通過對加筋墻地震作用下動力有限元模擬，期望可以得出該方面的相關(guān)結(jié)論。

1 建立加筋土擋墻幾何模型

本文采用一個足尺擋墻模型作為動力有限元分析的對象，采用ANSYS模擬對該加筋土擋墻可以承受的人工地震波荷載，然后再進行加筋擋墻動力反應(yīng)相關(guān)分析。地震作用下加筋擋土墻可以作為一半空間體考慮，但在有限元計算中只是當(dāng)作有界域。在建立模型時所設(shè)置的側(cè)向邊界位置應(yīng)該盡量減小邊界上反射波的影響，且要保證模擬計算的工作量適中。根據(jù)有關(guān)的研究結(jié)果表明，一般取加筋土擋土墻高度3～10倍范圍作為模型的計算區(qū)域是比較合理的。本文所有采用的計算模型取為加筋擋土墻高度的10倍，具體的模型如圖1所示。

圖1 有限元模型斷面

本文分析擋墻模型具體尺寸為：高6 m，寬20 m，基礎(chǔ)高4 m，土工格柵作為加筋材料進行模擬。其中筋材長度為6 m，并在每0.4 m鋪設(shè)一層筋材。采用預(yù)制混凝土模塊的面板，其中每塊高和寬分別為0.25 m、0.5 m。在模型中，底面垂直、水平向位移和側(cè)面水平向位移都設(shè)置為零。按網(wǎng)格具體的劃分情況，可以得出第一振型固有頻率，結(jié)果為4.57 Hz。本文的有限元參數(shù)根據(jù)有關(guān)土工試驗結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果。[1]

2 加筋土擋墻有限元模型分析

本文根據(jù)有限元的基本理論，通過對加筋土擋墻動力作用研究分析，重點就是要采用一個合理的有限元模型用于模擬離散的加筋土，利用通用有限元分析軟件ANSYS對加筋土擋墻進行了模擬，得出相應(yīng)的結(jié)論。

2.1 結(jié)構(gòu)模擬的假定

在對加筋土擋墻模型進行分析前，一定要對結(jié)構(gòu)做一些前處理，主要有：

（1）縱向尺寸較大同時橫向尺寸很小的加筋土擋墻，應(yīng)按平面應(yīng)變問題去處理模型去分析；

（2）簡化一些必要的計算過程，我們主要分析模型最重要的地方，那么在模擬時筋帶和面板材料一般都當(dāng)作線彈材料處理；

（3）在模型中，不同材料的接觸面上均按接觸面單元處理。

2.2 地震荷載的加載方法與命令實現(xiàn)

在對矩陣定義與賦值后，就可在ANSYS采中用以下命令流對模型施加地震力作用：

2.3 求解設(shè)置

經(jīng)分析認(rèn)為ANSYS求解設(shè)置對收斂性的影響非常大，因此需要對一些相關(guān)參數(shù)進行具體的設(shè)置，本文對加筋土擋墻瞬態(tài)動力分析的求解設(shè)置做了詳盡的闡述。

瞬態(tài)分析的求解方法可以采用完全法即Full，完全法通常會采用完整的系統(tǒng)矩陣計算響應(yīng)計算方法，其中就沒有矩陣縮減，其功能非常強大，且可以包含多種非線性的參數(shù)特點，應(yīng)該利用時間的積分效果，采用TIMINT命令處理，在此過程要進行時間步長優(yōu)化，目的就為了選擇一個較為合理的時間步長，可以采用AUTOTS，ON進行處理。此外，因材料具有非線性的特點，應(yīng)打開設(shè)置大變形的開關(guān)。

3 地震作用下加筋土擋墻的動力結(jié)果分析

采用上述所建立的模型，對模型分別施加4次的地震加速度（0.l g，0.2 g，0.3 g，0.4 g），分析其在不同峰值加速度下潛在破裂面、擋墻加速度放大效應(yīng)、水平側(cè)向位移變化規(guī)律。

3.1 有限元模型加速度分析

在ANSYS分析數(shù)據(jù)當(dāng)中，采用了位移譜進行二次微分即可得到相應(yīng)的加速度譜。圖2、圖3、圖4、圖5分別表示水平加速度峰值取為0.l g，0.2 g，0.3 g，0.4 g時，靠近面板處擋墻頂點的水平加速度時程反應(yīng)。

通過這幾個圖可以看出，墻頂可以使水平加速度產(chǎn)生放大作用。輸入的El-centro波使模型達(dá)到峰值時（加速度），墻頂質(zhì)點也達(dá)到峰值（加速度）；緊接著加速度值慢慢變少，最后慢慢趨于穩(wěn)定，其變化的趨勢和El-centro波加速度時程曲線變化特點非常類似。將ANSYS后處理所得加速度的放大倍數(shù)見表1。

圖2 0.1g時墻頂加速度時程曲線

圖3 0.2g時墻頂加速度時程曲線

圖4 0.3g時墻頂加速度時程曲線

圖5 0.4g時墻頂加速度時程曲線

表1 有限元模型加速度放大倍數(shù)

（1） 在地震峰值加速度取為0.1 g，0.2 g，0.3 g，0.4 g條件下，所有墻高位置處加速度放大倍數(shù)都高于1，加速度放大作用非常明顯。

（2） 當(dāng)?shù)卣鸱逯导铀俣热?.1 g，0.2 g 0.3 g，0.4 g時，加速度放大倍數(shù)在墻高4.8 m，也即約0.8 H處出現(xiàn)非常明顯的變化。同時下部加速度的放大倍數(shù)也會隨墻高呈線性增長，而上部隨墻高線性減小。

（3）當(dāng)?shù)卣鸱逯导铀俣仍诜秶鷥?nèi)（0.l g～0.4 g），加速度放大倍數(shù)隨震級增大而增大；地震峰值加速度在0.3 g～0.4 g范圍內(nèi)，在相同墻高位置處加速度放大倍數(shù)隨震級增大反而減小。

3.2 擋墻水平位移分析

在地震動力作用下，加筋土擋墻從靜止?fàn)顟B(tài)到強迫振動狀態(tài)，出現(xiàn)變形和破壞。結(jié)構(gòu)的變形位移主要有兩個部分：1）靜載位移；2）動載位移。當(dāng)擋墻受到地震力作用時，應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，擋墻也出現(xiàn)變形。在地震加速度峰值較小的狀況下，擋墻可內(nèi)部調(diào)節(jié)來維持穩(wěn)定的狀態(tài)，擋墻表現(xiàn)的變形也較小，而地震力引起的變形將會恢復(fù)。而當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯递^大時，擋墻內(nèi)的變形急劇增大，此時筋一土間的摩擦阻力無法維持擋墻的原有結(jié)構(gòu)，因而產(chǎn)生向外較大位移，擋墻形成明顯的滑移面，最后發(fā)生破壞。

當(dāng)取較小的地震加速度時，水平位移也會比較小，同時比較穩(wěn)定；在TIME為2.14 s與4.92 s時，也就為輸入的加速度達(dá)到峰值時，擋墻的水平位移也發(fā)生突變變大，此外位移時程曲線和El-centro波加速度時程曲線具有非常高的相似性。當(dāng)?shù)卣鹆θ?.4 g時，所對應(yīng)的水平位移最大值為57.1 mm。[2][3]

4 結(jié)論

本文在各個震級條件下，對加筋土擋墻有限元模型進行了較為深入的分析，具體對地震的加速度放大系數(shù)、破裂面和墻面水平位移等研究，可得出以下結(jié)論:

（1）墻頂一點水平側(cè)向位移隨加速度增大而增大，墻頂一點水平側(cè)向位移在加速度峰值出發(fā)生突變，且可以發(fā)現(xiàn)位移時程曲線與地震波加速度時程曲線具有非常高的相似性。

（2）經(jīng)過與試驗數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)采用ANSYS軟件進行分析，在其中引入接觸單元，建立土單元、面板單元和筋帶單元構(gòu)成的加筋土擋墻有限元分析是一種可行的方法，該方法可以較好地反映出加筋土擋墻在地震作用下的動力響應(yīng)。

（3）在水平地震力作用下，加筋土擋墻加速度放大倍數(shù)隨墻高度的增加而變大，且在接近頂部處發(fā)生了明顯的突變，同時頂部的加速度放大倍數(shù)也比下部小。

（4）加筋土擋墻在水平地震作用下，墻頂一點位移隨著地震加速度峰值的增大而變大。在加速度達(dá)到峰值時，擋墻位移也發(fā)生突變，且可以發(fā)現(xiàn)擋墻頂點處的水平位移時程曲線圖和地震波加速度時程曲線具有較高的相似度。

［1］程國偉，趙雪勝，李 玲.基于擬靜力法的加筋邊坡地震穩(wěn)定性分析［J］.長江大學(xué)學(xué)報（ 自然科學(xué)版），2009，6（4）：295-297.

［2］趙煉恒，李 亮，楊 峰，等.加筋土坡動態(tài)穩(wěn)定性擬靜力分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28（9）：1904-1917.

［3］劉華北.地震作用下模塊式面板土工合成材料加筋土擋墻的內(nèi)部穩(wěn)定分析［J］.巖土工程學(xué)報，2008，30（2）:278-283.